Был единственным сыном Филиппа IV и прямым наследником престола. В 1644 году после долгих переговором было достигнуто соглашение о том, что Бальтазар Карлос возьмет в жены свою кузину Марианну Австрийскую, дочь императора Фердинанда III и его первой жены Марианны Испанской.
Принц Бальтазар отправился на север Испании в 1646 году чтобы отпраздновать присягу принца. При остановке в Памплоне принц серьёзно заболел и был перевезен в Сарагосу, где и скончался 9 октября 1646 года. Врачи, лечившие его, диагностировали оспу, потом выдвигали предположение о венерическом заболевании, хотя сейчас считают, что вероятной причиной его смерти был перитонит.
После смерти принца Филипп остался без прямого наследника, поскольку его первая жена умерла в 1644 году при родах. Он был вынужден жениться во второй раз, и его выбор пал на невесту Бальтазара Карлоса Марианну, с которой он обвенчался 8 ноября 1649 года.
Образ Бальтазара Карлоса дошел до нас благодаря прекрасным портретам принца работы Веласкеса.
Портрет инфанта Бальтазара Карлоса с карликом, Веласкес, 1631, Музей изящных искусств, Бостон
Портрет Бальтазара Карлоса, Веласкес
Портрет инфанта Бальтазара Карлоса, Хуан Батисто Мартинес дель Мазо, 1635